第5章 智能仪器通信接口设计.ppt

第五章智能仪器通信接口设计 本章内容 1 通用总线 3 现场总线 重点 2 串行接口总线 返回 4 以太网 主要有并行通信接口 串行通信接口 现场总线接口和以太网接口等 为方便各种仪器之间的通信 一般采用标准通信接口 下页 上页 主要接口方式 返回 在实际的测量和控制过程中 智能仪器和智能仪器之间 智能仪器与计算机之间需要进行各种信息的交换和传输 这种信息的交换和传输通过仪器的通信接口按照一定的协议实现 是各仪器之间或仪器与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置 通信接口 概述 下页 上页 返回 注意 本章介绍智能仪器较常用的标准总线 主要有GP IB通用接口总线 RS 232C串行总线 RS422 485串行总线 USB通用串行总线 CAN总线等 下页 上页 返回 智能仪器中的公共数字传输通道称为 总线 Bus 总线 按连接范围 划分 片间总线 局部总线 内部总线 系统总线 外部总线 通信总线 主要用于芯片级的互连 用以实现系统与各种扩展插件板之间的相互连接 主要用于仪器间的互连 下页 上页 返回 内总线 SystemBus 是系统内部各模块的公共信息通道 各模块的设计可通用化 具有互换性 损坏一部分只须更换该部分即可 只要留有足够的插口 随时可扩展系统的功能 改变其中一些模块可以改变仪器的功能 采用内总线的优点 目前常用的内总线 S 100 STD 是美国 公司1976年提出适应于Intel8080CPU系列的总线 共100条 其中16条数据线 24条地址线 11条控制线 8条DMA线 8条状态线 8条矢量中断线 9条电源线地线 16条其他用途信号线 主要缺陷是布线不太合理 时钟信号位于控制信号中间 容易产生干扰 地线少 引脚多 几何尺寸大 易变形 目前已极少用 是美国Pro log公司1979年提出用于工业控制微型计算机的标准系统总线 按工业现场标准设计 具有较好的兼容性 电路板采用小板结构 高度模块化 结构简单 品种齐全 价格低廉 性能良好 支持多微处理器系统 共56条线 其中6条逻辑电源线 8条数据线 16条地址线 22条控制线 4条辅助电源线 适合于8位机 80年代开始在我国流行 现在应用较少 Philips公司于80年代推出的二线串行通信总线广泛应用于系统内部模块或芯片之间的内总线 在单片机系统中应用广泛 下页 上页 返回 下页 上页 返回 片内总线一般由芯片制造厂商定义 对外提供的连线均通过芯片的管脚实现 对智能仪器设计的影响不大 内部总线的种类相对较为统一 总线是其中的典型代表 外部总线的种类则比较广泛 由于涉及智能仪器与智能仪器之间 智能仪器和通用计算机之间通信的问题 根据通信性质 通信技术和通信距离的不同 有多种多样的总线可供选择 GP IB通用并行总线 RS 232C RS 485和USB UniversalSerialBus 等串行总线 CAN现场总线 总线在多个领域应用广泛 举例 下页 上页 返回 总线 按数据传输特点 划分 并行总线 串行总线 指多个数据位同时传输或接收 可分为不同位数 宽度 的并行总线 如8位 16位等 当距离较近而且要求传输速率较高时通常采用此总线传输方式 数据逐位传输 发送或接收数据最多只需两根导线 其一用于发送 另一用于接收 串行通信采用不同的工作方式 还可将发送和接收二线合一 具有经济实用的特点 当设备距离较远时通常采用串行总线方式 下页 上页 返回 相同条件下 串行传输速度 并行传输速度 注意 下页 上页 返回 上述的各种外部总线都有很多厂商推出了相应的通信接口 有些接口已经直接在芯片级予以实现 使用非常方便 随着新技术 新的通信手段的发展 新的通信接口还会不断涌现 综述 通用接口总线GP IB GeneralPurposeInterfaceBus 目前大多数智能检测仪器带有通用接口总线GP IB 下页 上页 返回 5 1并行总线 它最早由美国HP公司研制 称 HP IB标准 1975年IEEE将其改进 规范化为IEEE 488标准 1977年IEC又将其命名为IEC 625国际标准 目前多称其为 GP IB 5 1 1通用接口总线 1 可通过一条总线将多台仪器互联 组成自动测试系统 系统中可以连接的仪器不超过15台 互连总线的长度不超过20米 下页 上页 返回 适应于轻微干扰的试验室或现场 可用于智能检测 计算机 导航 通信等领域 基本特性 下页 上页 返回 2 数据传送采用位并行 字节串行的双向异步传输方式 最大传输速率不超过1兆字节 每秒 3 总线上传输的消息采用负逻辑 即低电平 0 8V 为逻辑 1 高电平 2 0V 为逻辑 0 4 采用单字节地址时可有31个讲地址和31个听地址 采用双字节地址时可有961个讲地址和961个听地址 协议中用到的术语 是对系统控制的设备 能发出各种命令 地址 也能接收其他仪器发来的信息 下页 上页 返回 1 控者 讲者 听者 控者 控者能对总线进行接口管理 规定每台仪器的具体操作 下页 上页 返回 一个系统可有多个控者 但每一时刻只能有一个控者起作用 是产生和向总线发送仪器消息 即测量数据和状态信息 的设备 讲者 一个系统中可有两个以上的讲者 但每一时刻只能有一个讲者起作用 若有多个讲者同时将数据放于总线上 会引起数据传输的混乱 下页 上页 返回 是接收总线上传来的数据的设备 听者 一个系统内可同时有多个听者工作 同时接收总线上的数据 控者 讲者 听者是所有传输过程中必不可少的三个设备 在一个系统中控者 讲者 听者的身份可根据系统的功能和所要完成的任务而改变 下页 上页 返回 2 消息 是各台仪器之间通过接口总线传输的各种信息 仪器之间的通信即为发送和接收消息的过程 下页 上页 返回 消息按使用信号线的条数可分为单线消息和多线消息 单线消息 指用一条信号线传送消息 多线消息 指用两条以上的信号线传送消息 多线仪器消息 多线接口消息 下页 上页 返回 多线仪器消息与仪器特性密切相关 由设计者选择 多线接口消息分为通用命令 寻址命令和地址三大类 通用命令由控者发出 所有设备必须听并且执行 寻址命令由控者发出 只有被寻址的设备才能听 地址分为听地址 讲地址和副地址 下页 上页 返回 消息按来源可分为远地消息和本地消息 远地消息 指经总线传送的消息 规定用三个大写字母表示 本地消息 指由设备本身产生的只能在设备内部传递 不能传送到总线的消息 用小写字母表示 下页 上页 返回 消息按用途可分为接口消息和仪器消息 接口消息 用于管理系统接口的消息 只能在相关设备的接口部分和总线之间传递 被接口功能利用和处理 通过各种命令 地址使接口功能的状态发生变化 不允许传到仪器功能部分 仪器消息 与仪器功能有关的消息 在仪器功能之间传送 由仪器功能利用和处理 不改变接口功能和状态 如测量数据等 下页 上页 返回 其关系如图8 7所示 图5 1接口消息和仪器消息 下页 上页 返回 仪器功能与接口功能 仪器功能是把收到的控制信息变成仪器的实际动作 如调节频率 调节信号的电平等 与常规仪器设备的功能相同 不同的测量仪器其仪器功能相差很多 自动测试系统的任一仪器设备分仪器和接口两部分 接口功能是完成系统中各仪器设备之间正确通信 确保系统正常工作的能力 GP IB标准接口的总线结构 GP IB标准接口系统包括接口和总线两部分 接口部分由各种逻辑电路组成 与各仪器装置安装在一起 用于对传输的信息发送 接收 编码和译码 总线部分是一条无源的24芯电缆 用于传输各种消息 接口系统结构如图5 2所示 下页 上页 返回 图5 2GP IB标准接口系统结构 下页 上页 返回 24条线又包含8条数据线 3条挂钩联络线及5条接口管理线共16条信号线 其余为地线及屏蔽线 各信号线定义如下 8条双向数据线 DIO1 DIO8 传递数据 命令及地址 3条数据挂钩联络线 控制数据总线的时序 保证数据总线能正确传输信息 下页 上页 返回 DAV DataValid 数据有效线 低电平表示有效 当数据线上出现有效数据时 讲者置其为低电平 示意听者从数据线上接收数据 NRFD NotReadyForData 数据未就绪线 被指定的听者中只要有一个未准备好接收数据 NRFD就为低 示意讲者暂不要发出信息 NDAC NotDataAccepted 数据未收到线 被指定的听者中只要有一个听者未从数据总线上收到数据时为低 示意讲者保持数据线上的信息 三线挂钩原理 在GP IB系统中 每传递一个字节的数据信息 源方 讲者与控者 与受方 听者 之间都要进行一次三线挂钩过程 假定地址已发送 听者和讲者均已受命 三线挂钩过程如下 三线联络的基本过程如图5 3所示 图中带圈的数字表示联络的时间顺序 下面说明三线联络的过程 原始状态 讲者置DAV线为高 听者置NRFD和NDAC线为低 然后讲者检测NRFD和NDAC 如均为低 不允许均为高 准备状态 讲者要把发送的数据字节送到DIO1 DIO8上 当确认各听者都已做好接收数据的准备 即NRFD线为高 且数据总线DIO上的数据稳定之后 讲者使DAV线变低 告知听者在DIO线上有有效数据 三线联络的基本过程 接受数据 作为对DAV变低的回答 最快的听者把NRFD线拉低 表示它因当前的字节而变忙 即开始接收数据 最早接收完数据的听者欲使NDAC线变高 如图中虚线所示 但因其他听者尚未接收完 故NDAC线仍保持为低 只有当所有的听者接收到此字节后 NDAC线变高 在讲者确认NDAC线为高后 升高DAV线 并撤掉总线上的数据 听者确认DAV线为高之后 置NDAC为低 至此完成了传送一个字节数据的三线联络过程 三线联络的基本原则 对于讲者 只有当接收者即受者都做好了接收消息的准备 才能宣布送到数据线上的消息是有效的 只有所有受者都接收完以后 才能撤销数据线上的消息 对于听者 只有确知数据线上的消息是自己应该接收的 并且在源者宣布数据有效时才能接收 三线联络实际上就是利用DAV NRFD NDAC三根线的互锁联络操作来保证信息在总线上的准确 可靠 无误的传递 下页 上页 返回 5条接口管理线 控制总线接口的状态 ATN Attention 注意线 由控者使用 指明数据线上的数据类型 ATN为低电平 表示数据线D1 D8上的信息是控者发出的接口消息 ATN为高电平 表示D1 D8为讲者发出的仪器消息 IFC InterfaceClear 接口清除线 由控者使用 IFC为低电平时 接口系统复位 下页 上页 返回 REN RemoteEnable 远程控制线 由控者使用 REN为低电平 表示仪器处于远程工作状态 面板手工操作停用 REN为高电平表示仪器处于本地工作方式 SRQ ServiceRequest 服务请求线 所有设备均可发出 SRQ为低电平时表示向控者申请服务 EOI EndOrIdentify 结束或识别线 EOI与ATN配合使用 在EOI为高 ATN为低时表示讲者已传完一组数据 在EOI为高 ATN为高时 表示控者要进行识别操作 要求设备将其状态放在数据线上 下页 上页 返回 GP IB标准规定了十种功能 1 控者功能 ControllerFunction 简称控 C 功能 产生对系统的管理消息 发布各种通用命令 指定数据传输过程中的讲者和听者 进行串行或并行点名 接受其他仪器的服务请求和状态数据 2 讲者功能 TalkerFunction 简称讲 T 功能 由控者指定某仪器为讲者时 它才具有讲功能 将测量数据或状态信息等通过接口发送给其他仪器 下页 上页 返回 3 听者功能 ListenerFunction 简称听 L 功能 所有仪器都必须设置听功能 当仪器被指定为听者时具有听功能 此时从总线接收控者的程控命令和讲者的测量数据 显示数据 在自动测控系统中 为了进行有效的信息传递 一般 控者 讲者 和 听者 三种基本功能是系统中必不可少的 此外 为了使系统传送的信息准确 可靠 协议中采用三线技术 设置了源挂钩功能和受者挂钩功能 下页 上页 返回 4 源挂钩功能 SourceHandshakeFunction 简称SH功能 讲者和控者必须配置源挂钩功能 为讲者和控者功能服务 用于在数据传输过程中源方向受方进行联络 5 受者挂钩功能 AccepterHandshakeFunction 简称AH功能 主要为听者服务 用于数据传输过程中受方向源方进行联络 下页 上页 返回 其他五种具有管理能力的接口功能 6 服务请求功能 ServiceRequestFunction 简称SR功能 指系统中某设备向控者提出服务请求的功能 当仪器在运行时遇到请求向总线输出测量数据或出现故障需请求控者处理时 向控者发出服务请求的信息 7 并行点名功能 ParallelPollFunction 简称PP功能 是控者为快速查询请求服务仪器而设置的点名功能 只有配备有PP功能的仪器才能对控者的并行点名功能作出响应 下页 上页 返回 8 远控 本控功能 Remote LocalFunction 简称R L功能 远控指仪器接收总线发来的程控命令 本控指仪器接收面板按键的人工操作命令 控者可通过总线使配有R L功能的仪器在远控或本控功能之间选择其一 9 仪器触发功能 DeviceTriggerFunction 简称DT功能 使仪器可从总线接收触发消息 进行触发操作 10 仪器清除功能 DeviceClearFunction 简称DC功能 系统控者通过总线使配备有该功能的仪器同时或有选择的被清除 恢复到初始状态 仪器消息与仪器的特性密切相关 难以作出统一的规定 通常由设计者自己选择 只要求其编码格式能被有关仪器所识别 接口消息则应作出统一规定 以确保接口的通用性 单线接口消息通过一条信号线传递 因而无须编码 多线接口消息通过DIO线来传递消息 因而需要统一编码 多线接口消息采用7位编码 如表5 1所示 主要分为通令 指令 地址 副令 副地址 四类 接口消息及其编码 表5 1多线接口信息分类表 注 作为MLA而被接收 MLA为我的听地址 作为MTA或OTA而被接收 MTA为我的讲地址 OTA为其他讲地址 作为MSA或OSA而被接收 MSA为我的副地址 OSA为其他副地址 1 通令 UniversalCommands 通令是由控者发出的命令 一切设备都必须听 并遵照执行 通令的特点是所有设备接到通令后 必须接收并使该设备完成一次接口操作 单线消息的通令有ATN IFC及REN等3个 多线消息的通令有以下几个 LLO LocalLockout 本地封锁 此命令与单线消息REN联合使用 可使设备面板上远地 本地开关失去作用 DCL Deviceclear 设备清除 该命令使具有DC功能的设备回到某一预定的状态 SPE SerialPollEnable 串行查询可能 此命令使具有服务请求 SRQ 1 功能的各设备置于串行查询模式状态下 用于响应控者进行的串行查询 SPD SerialPollDisable 串行查询不可能 此命令用于解除设备讲功能的串行查询模式 常用作一个串行查询序列结束标志 PPU ParallelPollUnconfigure 并行查询不组态 此命令使设备的PP功能取消原先的编组状态而回到空闲态 2 址令 AddressedCommands 址令也是控者发出的命令 使被寻址的讲者 听者设备进入某一状态 也有人称之为指令 具体的指令有 GTL GoToLocal 进入本地 此命令使被寻址为听者的设备从远地状态返回到本地状态 SDC SelectiveDeviceClear 选择设备清除 此命令使被寻址为听者的设备返回到预定的初始状态 PPC ParallelPollConfigure 并行查询组态 设备收到此命令后 能继续接收并行查询可能命令PPE 使设备做出响应并行点名的编组 GET GroupExecuteTrigger 群执行触发 此命令使一个或多个被寻址为听者的设备同时处于某一作用状态 或同时执行某一事先规定的操作 TCT TakeControl 接受控制 此命令使控者把控制权转让给已被寻址为讲者的另一设备 3 地址和副令 SecondaryCommands 副地址 SecondaryAddress 地址分为听地址和讲地址 副令 副地址是对主令 主地址的补充 具体的副令有 PPD ParallelPollDisable 并行查询不可能 此命令是对主令PPC的补充 使已被远控编组的设备取消其编组并回到原始状态 PPE ParallelPollEnable 并行查询可能 此命令也是对主令PPC的补充 使已被PPC命令允许其编组的设备按照PPE的特定编码进行编组 下页 上页 返回 GP IB接口工作过程 多个设备通过GP IB接口相连组成一个自动测试系统时 一般控者为带计算机的设备 控者规定讲者和听者 在控者的控制下 执行用户预先编好的程序 在数据线上通过接口消息协调各仪器的接口操作 从而完成仪器信息的传送 下图是测量某放大器的幅频特性及打印测量结果的原理图 计算机 控者 令信号发生器 听者 产生幅值固定频率可在一定范围内变化的正弦信号 由频率计测出信号的频率 由数字电压表测出放大器的输出幅值 测量多次并将测量结果送给计算机 计算出幅频特性后送给打印机打印 下页 上页 返回 GP IB总线应用举例 下页 上页 返回 1 控制器通过C功能发出REN消息 使系统中所有仪器处于控者控制之下 2 控制器通过C功能发出IFC消息 使系统中所有仪器都处于初始状态 3 控制器发出信号发生器的听地址 信号发生器接收地址后成为听者 工作过程如下 4 控制器通过T功能向信号发生器发出程控命令 使信号发生器输出幅值固定的某一频率范围内的正弦信号 下页 上页 返回 5 控制器发出UNL 取消信号发生器的听受命状态 6 控制器发出频率计的听地址 频率计成为听者后测量输入信号的频率 7 控制器发频率计的讲地址 取消频率计的听受命状态 控制器使自己变为听者 接收由频率计发来的频率测量值 8 控制器发数字电压表的听地址 数字电压表成为听者后测量输出信号的幅值 9 控制器发数字电压表的讲地址 取消数字电压表的听受命状态 控制器使自己变为听者 接收由数字电压表发来的幅值测量值 下页 上页 返回 上述测量过程可完成一组测量值 不断重复 3 9 可得到多组测量值 之后控制器计算完幅频特性后 发打印机的听地址 控制器作为讲者把数据送给打印机 并命令打印机打出幅频特性 下页 上页 返回 GP IB接口芯片 为了使仪器能够挂接在GP IB总线上 需要为其设计GP IB接口电路 采用专用接口芯片为设计带来很大方便 有多家公司生产GP IB专用接口芯片 其中NI NationalInstruments 公司的TNT4882 有100引脚 包含ISA总线接口和完全的GP IB接口 只需外接40MHz时钟即可使用 下页 上页 返回 Intel公司生产的8291A接口芯片可实现除 控功能 外的其他9种功能 无须CPU管理可实现3线挂钩时序 智能仪器的CPU通过访问8291A内部的寄存器组 可方便的完成接口功能设置和数据传送 8292是实现控者功能的接口芯片 与8291A配合使用能完成通信过程 可将8292与8291A芯片做成GP IB接口卡 直接插入智能仪器插槽中 下页 上页 返回 另外 为配合8291A和8292芯片使用 增加总线上可以挂接设备的数目 有实现总线收发器功能的8293接口芯片 当需要向总线发送信息时可提高总线的驱动能力 当需要从总线接收信息时 可减轻对负载的效应 这些集成芯片的使用为接口电路的设计带来巨大方便 近年来 串行通信速度不断提高 而且连接简单 成本低 传输距离远 目前有的串行接口已经远远超过了GP IB的通信速度 GP IB通信受到串行通信的巨大挑战 8291A具有用硬件实现除控者之外的其余全部9种标准接口功能 具有自动三线挂钩联络 自动管理接口寻址等能力 大大简化了接口管理软件的设计 由8个8位写寄存器和8个8位读寄存器组成 这些寄存器相互之间以及与接口功能和译码部件之间通过内部总线进行联系 对8291A的程控就是通过对这些寄存器组进行读 写操作来完成的 例如 当8291被寻址为讲者时 就先将数据送到输出寄存器 然后 再进行挂钩操作 把数据送到接口母线上 以便控者进行读取 一 8291A接口芯片 面向微处理器总线的信号端 D0 D7 双向数据总线 RS0 RS2 片内寄存器的选择码输入端 CS 片选输入端 RD WR 读 写选通输入端 INT 中断请求输出端 TRIG 触发输出端 CLOCK 时钟信号输入端 RESET 复位信号输入端 DREQ DACK DMA操作请求输出端 响应信号输入端等 面向GP IB标准接口总线的信号端 DIO1 DIO8 8位标准接口数据总线输入 输出端 DAV NRFD NDAC 挂钩控制总线信号的输入 输出端 ATN IFC REN SRQ EOI 为控制管理总线的输入 输出端以及双向端口 上述信号端借助于收 发器 便能与标准接口系统有效地交换信息 8292接口芯片仅有控者功能 并且它必须与8291联合使用 当两者一起使用时 可以组合成具有全部十种接口功能的标准接口电路 8292实质上是一片8041单片机 片内ROM固化了一段专门的程序 使内部RAM作为专用寄存器组使用 I O端口用来提供总线的各种控制信号及辅助信号 以便与8291A有机地沟通起来 完成控者的功能 8292 40脚双列直插封装 引脚安排如图与微处理器相接的信号端主要有 D0 D7 CS RD WR RESET A0等与GP IB总线相接的信号端有 DAV 双向握手信号 IFC 接口清除信号输出端 TCI SPI OBFI IBFI SRQ SRQ等 为保证接入系统中每个仪器的接口对总线所具有的驱动能力都能符合特定的要求 接口芯片必须经总线收 发器 8293总线收 发器是专门为配合8291A 8292接口芯片而设计的 三 8293总线收 发器 8293内部包括9路收 发通道和适应不同工作模式的附加电路 每路的收 发方向可由T R来控制 接收时采用施密特电路以增强抗干扰能力 发送时选用OC方式或三态方式 8293可预置成四种模式之一 8293的工作模式 用OPTA OPTB这两个脚的逻辑电平的组合 设置8293的工作模式 选择方式如下表 讲者 听者接口框图 讲者 听者 控者接口框图 思考题 图为一个用于数据采集的自动测试系统框图 系统的测试任务是测试火箭上若干部位上的压力 数百个压力传感器安置在被测火箭的各测试点上 过程 在计算机的控制下 扫描器将顺序采集到的传感器输出信号送往电桥 电桥将输出的模拟量送给数字电压表去测量 数字电压表又将输出的数字量送给计算机处理 最后由打印机将处理后的结果打印出来 串行通信 通信双方的数据沿一根或两根线实现二进制序列的传输 下页 上页 返回 5 2串行通信接口 在串行通信中 将传输的数据分解成二进制位 用一条信号线将多个二进制数据位按一定的顺序逐位由发送端传到接收端 连线数量少 成本低 而且只要增加调制解调器 MODEM 利用现有的通信信道 如电话线 可实现远程通信 下页 上页 返回 串行通信中 数据和联络信号使用同一根信号线传送 为了可靠传送数据 收发双方必须事先约定发送和接收数据的速率 传输数据的格式 收发出错时的处理方式等 根据数据的传送方向和发送 接收是否能同时进行 将数据的传送方式分为单工方式 半双工方式和全双工方式 下页 上页 返回 1 单工方式 Simplex 通信双方一方固定为发送方 另一方固定为接收方 数据只能由发送方传送到接收方 如图 a 所示 只能由A端发送到B端 2 半双工方式 Half Duplex 通信双方都具有发送和接收数据的能力 发送或接收数据分时使用同一条传输线 发送和接收不能在同一个时刻进行 下页 上页 返回 3 全双工方式 Full Duplex 通信双方收发使用不同的传输线 在同一时刻 收发双方既可发送又可接收 如图 c 所示 A 或B 可同时发送和接收 如图 b 所示 A端和B端共用一条传输线 在某一时刻 数据只能由A传送到B或由B传送到A 但A 或B 在一个时刻不能既发送又接收 下页 上页 返回 串行通信传输方式 下页 上页 返回 根据同步方式 时钟控制方式 的不同 串行数据通信分为同步串行通信和异步串行通信两种方式 1 同步串行通信 SynchronousDataCommunication 串行数据在发送端和接收端使用同步时钟 使发送和接收保持同步 下页 上页 返回 如图所示 收 发设备使用公共时钟 不可有误差 通常在近距离 几百米至几千米 传输时 可在传输线中增加一根时钟信号线 用同一时钟发生器驱动收发设备 传输距离更远时 时钟信息包含在信息块中 通过调制解调器从数据流中提取同步信号 用锁相技术得到与发送时钟频率相同的接收时钟信号 下页 上页 返回 同步通信方式 下页 上页 返回 同步通信将数据顺序连接起来 控制信息也以字符形式表示 以数据块为传送单位 数据块开始有一个或两个同步字符 SYN 如图所示 中间是需要传送的数据 最后为一个或两个校验字符 接收方接收到数据后用校验字符对接收到的数据进行校验 以判断传输是否正确 这样构成的一组数据块称为一帧信息 一帧信息的字符个数可包含成百上千个字符 具体可由用户设置 下页 上页 返回 同步通信数据块内数据与数据之间不需要插入同步字符 没有间隙 因而传输速度较快 但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步 对硬件要求较高 适用于传送成批数据 一般用于高速通信方式 在低速通信时采用异步方式 同步通信数据传输格式 优缺点 下页 上页 返回 2 异步串行通信 AsynchronousDataCommunication 收发双方使用独立的时钟 如图所示 在信息传输过程中不必与数据一起发送同步脉冲 异步串行通信方式 下页 上页 返回 异步通信数据传输格式 通信双方以字符为通信单位 每个字符由1个起始位 约定为逻辑0电平 5 8个数据位 先传送低位后传送高位 1个校验位 用于校验传送的数据是否正确 1位 1 5位或2位 停止位 逻辑1电平 组成 如图所示 下页 上页 返回 因此 一个字符可由10位 10 5位或11位组成 这样的一组字符称为一帧 字符一帧一帧的传送 每帧数据的传送依靠起始位来同步 发送方发送完一个字符的停止位后 可立即发送下一个字符的起始位 继续发送下一个字符 也可发送空闲位 逻辑1电平 表示不发送数据 通信双方不进行数据通信 下页 上页 返回 当需要发送字符时 再用起始位进行同步 通信中 为保证传输正确 线路上传输的所有位信号都保持一致的信号持续时间 收发双方必须保持相同的传输速率 串行通信方式对硬件要求较低 实现起来比较简单 灵活 但传送速率较同步通信低 下页 上页 返回 5 2 1RS 232C串行总线标准 RS 232C 是美国电子工业协会EIA ElectronicIndustriesAssociation 1973年公布的一种串行数据通信标准 RS是推荐标准 RecommendedStandard 的缩写 232是识别代号 C是标准的版本号 下页 上页 返回 标准定义了数据终端设备DTE DataTerminalEquipment 和数据通信设备DCE DataCommunicationEquipment 之间的接口信号特性 提供了一个利用公用电话网络作为传输媒介 通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定 两个远程设备利用RS 232C进行数据传输的典型连接电路如图5 15所示 下页 上页 返回 图8 15RS 232C在电路中的位置 在通信设备的一端 调制解调器将一系列用 1 0 表示高 低电压的数字信号转换为相应的能与电话网相容的模拟频率信号 在通信设备的另一端 另一个调制解调器将模拟频率信号变回一系列用 1 0 表示高 低电平的数字信号 一般计算机 外设 显示终端等为DTE 而调制解调器等为DCE 下页 上页 返回 1 RS 232C的电气特性 1 逻辑电平 RS 232C采用负逻辑电平 发送数据时 发送端输出的逻辑 0 表示正电平 5 15V 输出的逻辑 1 表示负电平 5V 15V 接收数据时 接收端接收的 3V 15V高电平表示逻辑 0 3V 15V低电平表示逻辑 1 RS 232C的噪声容限是2V 因发送电平和接收电平的差为2V 共模抑制能力较差 下页 上页 返回 可见 电路可以有效地检查出传输电平的绝对值大于3V的信号 而介于 3 3V之间的电压信号和低于 15V或高于 15V的电压信号认为无意义 因此 实际工作时 应保证电平的绝对值在 3 15 V之间 2 传输距离和传输速率 传输距离最大约为15m 通信介质可选同轴电缆 双绞线 光纤等 最高速率为20kbps 下页 上页 返回 2 RS 232C的接口信号线定义 RS 232C标准规定在进行连接时采用一对物理连接器 在实际应用中 有25针和9针两种D型连接器 由于9针连接器节省空间 应用较多 下页 上页 返回 表5 2RS 232C信号定义 下页 上页 返回 接口上的信号线大致分为下面几类 此处的 发送 输出 和 接收 输入 都从数据终端设备的角度定义 1 状态线 DSR DataSetReady 数据装置准备就绪 输入信号 通常表示Modem已接通电源连到通信线路上 并处于数据传送方式 可用作数据通信设备Modem响应数据终端设备的联络信号 下页 上页 返回 DTR DataTerminalReady 数据终端准备就绪 输出信号 通常当数据终端加电时 该信号有效 表明数据终端准备就绪 可用作数据终端设备发给数据通信设备Modem的联络信号 这两个设备状态信号有效 只表示设备本身可用 并不说明通信链路可以开始进行通信 能否开始进行通信要由联络信号决定 当这两个信号连到电源上时 表示上电立即有效 下页 上页 返回 RTS RequestToSend 请求发送端 当DTE准备好送出数据时 该信号有效 通知DCE准备接收数据 CTS ClearToSend 允许发送 输入信号 当DCE已准备好接收DTE传来的数据时 该信号有效 响应RTS信号 通知DTE开始发送数据 RTS和CTS是一对用于发送数据的联络信号 2 联络线 下页 上页 返回 SG signalGround 信号地 所有信号都要通过信号地线构成回路 3 数据线 4 地线 TxD TransmittedData 数据发送端 DTE发送数据到DCE RxD ReceivedData 数据接收端 DTE从DCE接收数据 下页 上页 返回 PG ProtectionGround 保护地 机壳地 起屏蔽保护作用的接地端 一般连到设备的外壳或机架上 必要时连接到大地 RI RingIndicator 振铃指示 当DCE收到交换台送来的振铃呼叫信号时 使该信号有效 通知DTE 已被呼叫 5 其余 DCD DataCarrierDetection 载波检测 用来表示DCE已接通通信链路 告知DTE准备接收数据 下页 上页 返回 3 RS 232C的连接 1 近程连接 通常的应用系统中 往往是配有RS232C串行接口的CPU和I O设备之间传送信息 两者都作为DTE 比如PC和单片机之间的通信 双方都能发送和接收 在通信距离小于15m时 可省去MODEM 直接用RS 232C信号线相连 也称 零MODEM 连接方式 下页 上页 返回 如图所示 a 图TxD和RxD交叉相连 不带握手信号 是最简单的只用三线实现的连接方式 称三线方式 应用最为广泛 b 图为带握手通信的连接方式 RTS和CTS互联 用请求发送RTS产生允许发送CTS 表明请求传送总是允许的 满足全双工通信的联络控制要求 DTR和DSR互联 用数据终端准备好产生数据装置准备好 c 图是另一种直接互联的通信方式 所用连线更多 通信更加可靠 下页 上页 返回 RS 232C近程连接方式 下页 上页 返回 2 远程连接 当通信距离超过15m时需要采用远程连接方式 图为一种常见的连接方式 远距离通信靠两个MODEM之间的通信介质完成 通信距离取决于介质的性能和波特率的高低 若某设备 如DTE1 要发送数据至对方 如DTE2 DTE1首先通过接口电路发出RTS 请求发送 信号 此时 若DCE1 MODEM1 允许传送 则向DTE1回答CTS 允许发送 信号 一般可直接将RTS CTS接高电平 即只要通信链路已建立 就可传送信号 下页 上页 返回 当DTE1获得CTS信号后 通过TXD线向DCE1发出串行信号 DCE1将这些数字信号调制成模拟信号 又称载波信号 传向对方的DCE MODEM2 下页 上页 返回 当对方的DCE MODEM2 收到载波信号后 向DTE2发出DCD信号 数据载波检出 通知DTE2准备接收 同时 将载波信号解调为数据信号 从RXD线上送给DTE2 DTE2通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位 当收到1个字符的全部位流后 把该字符的数据位送到数据输入寄存器 CPU可以从数据输入寄存器读取字符 下页 上页 返回 4 单片机与RS 232C接口 在计算机和智能仪器内 通用的信号逻辑电平是TTL电平 与RS 232C的逻辑电平不兼容 当计算机和单片机通过RS 232C通信时必须进行电平转换 图为利用单片机的串行口以及MC1488发送器和MC1489接收器实现TTL电平和RS 232C电平转换的电路 下页 上页 返回 其中发送器MC1488采用 12V工作电源 将TTL电平转换为RS 232C电平 接收器MC1489采用5V工作电源 将RS 232C电平转换为TTL电平 由于MC1488 1489分别是功能单一的发送 接收器 所以在双向数据传输中 各端都要同时使用两个器件 而且必须同时具备两组正 负电源 将增加接口的体积和成本 下页 上页 返回 图5 18单片机与RS 232C的转换电路 下页 上页 返回 MAX220 MAX232 MAX232A系列芯片将发送器和接收器集成在一起 完成TTL和RS 232C电平互换 并且包含 5V电源转 12V电源的电路 图5 19为MAX232内部结构及基本使用连接电路 一片MAX232芯片可连接两对接收 发送线 外接电容C1 C5分别取1 F 因连线简单 应用广泛 下页 上页 返回 图5 19MAX232内部结构图 下页 上页 返回 5 RS 232C的不足 尽管RS 232C接口标准应用广泛 但由于出现较早 存在以下不足 1 接口信号电平值较高 易损坏接口电路芯片 且与TTL电平不兼容 需使用电平转换电路才能与TTL电路连接 2 采用单端驱动 单端接收的单端双极性电路标准 一条线路传输一种信号 下页 上页 返回 发送器和接收器之间具有公共信号地 共模信号会耦合到信号系统 对于多条信号线来说 这种共地传输方式抗共模干扰能力很差 尤其传输距离较长时会在传输电缆上产生较大压降损耗 压缩了有用信号范围 在干扰较大时通信可能无法进行 故通信速度和距离不可能较高 3 传输速率较低 在异步传输时 波特率最大为19200bps 4 传输距离有限 最大传输距离只有15米左右 5 2 2RS 422标准 为弥补RS 232C的不足 EIA于1980年公布了适于远距离传输的RS 422标准 有RS 422A和RS 422B等版本 RS 422A采用 平衡差分传输技术 返回 上页 下页 使用一对以地为参考的正负信号线传输同一个信号 即两条信号线上传送的信号电平相反 当其中一条为逻辑 1 时 另一条为逻辑 0 如图所示 当发送器两条输出线一条线向高电平跳变时 另一条必然向低电平跳变 二者的差值作为有用驱动信号 接受器接收的是差分输入电压 当差分输入电压大于200mV 或小于 200mV 时 输出逻辑 1 或 0 此种差分输入方式当干扰信号作为共模信号出现时 只要接受器有足够的抗共模电压范围 就能识别并正确接收传送的信息 返回 上页 下页 RS 422A线路一般不使用公共地线 收 发双方因地电位不同而产生的共模干扰会减至最小 故传输距离和速度都有明显的提高 最远传输距离约达1200米 最大传输速率达10Mbps 传输距离与传输速率成反比 当采用双绞线传输数据时 在传输速率为100Kbps以下可达最大传输距离 在很短的传输距离内才能获得最大传输速率 一般传输距离在200米内时速率可达200Kbps以上 返回 上页 下页 RS 422A采用全双工传输方式 两点之间远程通信时 使用单独的发送和接收通道 需要两对平衡差动电路 至少4条线 符合RS 422标准的驱动器在一个主设备 Master 的相同传输线上可连接最多10个从设备 Salve 即一个驱动器传送 总线上可有多至10个接收器接收数据 但从设备之间不能通信 亦即RS 422支持点对多的双向通信 如图8 21所示是一个主设备连接两个从设备的连接图 返回 上页 下页 在高速传送信号时 为使通信线路阻抗匹配 减少反射波 应在传输电缆的最远接收端接终端电阻以吸收反射波 终端电阻的值约等于传输电缆的特性阻抗 习惯上终端电阻取100欧姆 如图中的100 电阻 当传输距离在300米以内时不需接终端电阻 返回 上页 下页 MAX488 490是常用的RS 422收发器 左图为MAX488 490的管脚图 右图为用MAX488 490组成的RS 422接口点对点通信连线图 返回 上页 下页 5 2 3RS485通信接口标准 在RS 422基础上加以改进 EIA于1983年制定了RS 485标准 RS 485是RS 422的变型 许多电气规定与RS 422相近 如传输速率相同 都采用平衡差动传输方式 只是RS 422的传输电平在 7V至 7V之间 而RS 485传输电平是 7V至 12V之间 远距离传送时每台设备都应接终端电阻等 改进之处是RS 485的一个发送器可驱动32个接收器 总线上可连接多至32个驱动器和接收器 并且可采用二线与四线工作方式 采用四线方式时 与RS 422一样 可实现全双工通信 实现点对多的通信 只能有一个主设备 其余为从设备 采用二线工作方式时可有多个驱动器和接收器连接至单总线 并且其中任何一个均可发送或接收数据 返回 上页 下页 由于发送和接收共用一条线路 通信采用半双工工作方式 此方式可实现真正的多点总线结构 即通过程序的协调 每台设备都可以实现接收或发送功能 但在同一时刻 发送和接收不可同时进行 设备的端口在接收时应将自己的发送端关闭 在发送时将自己的接收端关闭 而且在总线上 同一时刻只有一个发送器发送数据 其他发送器处于关闭状态 发送器是否可以发送数据由芯片上的发送允许端 使能端 控制 RS 485的二线工作方式连线简单 成本低 因此在工业控制及通信联络系统中使用普遍 返回 上页 下页 MAX481 483 485 487是常见的RS 485收发器 下图为其管脚图 返回 上页 下页 下图为利用MAX481 483 485 487实现的半双工通信方式连接多个设备连线图 返回 上页 下页 8 4 4通用串行总线 USB 通用串行总线 UniversalSerialBus USB 协议是Intel Compaq Digital IBM Microsoft NEC NorthernTelecom等七大公司于1994年共同制定并推出的串行接口总线标准 有多种规范的版本 目前使用较多的是1 1版本及2 0版本 USB2 0版于2000年4月推出 新增了高速模式 USB凭借其高速度和高通用性正在逐步取代串口 并口 成为个人计算机与外围设备相连的标准接口 返回 上页 下页 1 USB总线协议特点 1 使用方便 允许设备 即插即用 Plug Play 即USB允许外设在主机和其他外设工作时进行连接配置 使用及移除 同时USB总线的应用可以清除PC上过多的I O端口而以一个串行通道取代 支持动态接入和动态配置 也称 热插拔 使系统与外设之间的连接更容易 2 速度快 USB1 1协议支持全速12Mb s和低速1 5Mb s的速率传输方式 USB2 0协议支持480Mb s的高速传输方式 返回 上页 下页 3 连接灵活 一个USB接口理论上支持的 热插拔 设备可达127个 既可以串行连接 也可以集线器连接 4 供电方式灵活 可以采用自供电 也可以由总线供电 并具有电源保护功能 如果连续3ms没有总线活动的话 USB会自动进入挂起状态 处于挂起状态的设备消耗的电流小于500 A 5 支持的最大电缆长度为5m USB2 0标准下通过USB Hub级连可达30m 6 成本低廉 易于扩展 返回 上页 下页 7 容错性能好 具有事务处理错误检测机制 可以对有缺陷的设备进行认定 对错误的数据进行恢复或报告 8 支持多种传输类型 以满足不同设备的需求 如等待传输方式 适用于音 视频等设备 无纠错 块传输 适用于打印机 扫描仪 数码相机等 中断传输 适用于键盘 鼠标 游戏杆等 以及控制传输 返回 上页 下页 2 USB总线系统结构 一个USB系统由USB主机 USBHOST USB设备 USBDEVICE 和USB互连三个基本部分组成 USB主机一般制作在主板上 包含主控制器和一个嵌入的集线器 称为根集线器 Roothub 根集线器连接在主控制器上 通过根集线器 主机可以提供一个或多个接入点 端口 port USB设备通过接入点与主机相连 USB设备按照功能可分为集线器 Hub 和功能设备 即集线器可接入下行集线器和功能设备 返回 上页 下页 在一个系统中 有且仅有一个USB主机 它在USB系统中处于中心地位 对USB接口及其连接的设备进行管理 控制数据和信息的流动 集线器是USB系统的关键部件 集线器通过端口的电气变化可检测出连接在总线上的设备的插 拔操作 并可通过响应USB主机的数据包将端口状态告知USB主机 功能设备是能够通过总线发送和接收USB数据 并可实现某种功能的设备 USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作 返回 上页 下页 一个USB系统为分层 Tier 星形拓扑结构 如图8 26所示 中心机是主机的根Hub 可以连接下层Hub和功能设备 图中的Func 允许的最大层数为7层 包括根层 在主机与任何功能设备之间的一个通信通道中 支持最多5个非根 non root Hub 一个复合设备 有多个端口的设备 占两层 因此 第7层只能出现功能设备 不能出现集线器 一般而言 USB设备与USBHub间的连线长度不超过5m 通过根集线器连接的设备不超过127个 返回 上页 下页 USB系统的拓扑结构 返回 上页 下页 3 USB总线的物理接口 USB通过一个四线电缆传输信号与电源 如图8 27所示 其中D 和D 是互相缠绕的一对数据线 用于传输差分信号 而VBus和GND分别为电源和地 可以给外设提供5V 最大500mA的电源 功率不大的外设可以直接使用USB总线电源供电 不必外接电源 USB总线支持节约能源的挂机和唤醒模式 返回 上页 下页 对于不同的外设 USB2 0可根据速度要求在电缆上采用3种速率模式传输数据 1 低速模式 Lowspeed 信号传输速率为10 100kbps 主要适用键盘 鼠标输入笔 游戏杆等外设 具有费